尹土兵 張鳴魯

(1.西部礦業(yè)股份有限公司；2.青海省高原礦物加工工程與綜合利用重點實驗室)

基于Mathews穩(wěn)定圖法的采場暴露面積確定

尹土兵1,2張鳴魯1,2

(1.西部礦業(yè)股份有限公司；2.青海省高原礦物加工工程與綜合利用重點實驗室)

采場暴露面積的確定直接影響采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理布置，采用階段空場嗣后充填采礦法時，需要同時討論采場頂板和充填體側(cè)幫的暴露面積。采用Mathews穩(wěn)定圖法對采場的暴露面積進行了計算，并且與國內(nèi)外相似的礦山進行比較，最終確定了采場的合理暴露面積，為確保礦山安全生產(chǎn)提供參考。

Mathews穩(wěn)定圖法 空場法 暴露面積

采場暴露面積關(guān)系到采場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通常所說的采場暴露面積一般是指采場頂板的暴露面積；對于采場充填體而言，一般指的是充填體側(cè)幫的暴露面積[1]。采用空場采礦法時，一般僅需討論采場頂板的暴露面積；當采用階段空場嗣后充填采礦法時，需要同時討論采場頂板的暴露面積和充填體側(cè)幫的暴露面積。目前，確定采場暴露面積的方法主要有經(jīng)驗類比法、Mathews穩(wěn)定圖法[2-4]和數(shù)值模擬法[5]。經(jīng)驗類比法簡單實用，但需要研究者具有足夠的經(jīng)驗和類似知識；數(shù)值模擬法是一種新方法，近年來發(fā)展較快，但對諸如充填體側(cè)幫暴露面積等問題計算效果不佳。為此，根據(jù)礦山的具體情況，采用Mathews穩(wěn)定圖法估算采場暴露面積，同時參照國內(nèi)外類似礦山，給出最終的推薦值。

1 Mathews穩(wěn)定圖法

Mathews穩(wěn)定圖法的設(shè)計以穩(wěn)定數(shù)N(代表巖體在給定應(yīng)力條件下維持穩(wěn)定的能力)和形狀因子S(反映了采空區(qū)尺寸和形狀)的計算為基礎(chǔ)[3]，N計算公式為

N=Q′ABC，

(1)

式中，Q′為修正的Q系統(tǒng)分級值；A為巖石強度因子，為評價的采空面邊界上巖石單軸抗壓強度σc與誘生的壓應(yīng)力σ之比，當σc/σ<2時，A=0.1；當2≤σc/σ<10時，A=0.112 5(σc/σ)-0.125；當σc/σ≥10時，A=1；B為節(jié)理方向調(diào)整參數(shù)，取決于關(guān)鍵不連續(xù)節(jié)理面方向與待分析面方位間的差值；C為重力調(diào)整因子，與重力作用下的待分析采空面的破壞模式如頂板冒落、片幫、幫壁下滑等有關(guān)。

S可按下式計算

S=C/Z,

(2)

式中，C為待分析幫壁或采空面的橫截面積，m2；Z為待分析幫壁的周長,m。

采用對數(shù)回歸的方法，以穩(wěn)定、破壞與大破壞、崩落礦山實例所占的百分數(shù)為回歸方程的概率，以N、S、A、B、C為回歸分析因子，分析認為以N、S為指標所構(gòu)建的概率密度函數(shù)模型與礦山實例相符合，因此采用N、S為指標構(gòu)建的模型進行概率預(yù)測，其表達式為

(3)

式中，z為預(yù)測的對數(shù)幾率值；p為預(yù)測的對數(shù)概率值；S為水力半徑，m；N為穩(wěn)定數(shù)。

對于某一具體的采場或開采區(qū)域，可利用式(3)得到其相應(yīng)的穩(wěn)定、破壞與大破壞、崩落的概率值。

2 采場合理暴露面積估算

與某礦區(qū)采場穩(wěn)定性關(guān)系密切的巖體有上盤綠泥石片巖、白云母片巖、礦體石英鏡鐵礦和下盤白云石大理巖，充填體。由于充填體采用了不同的灰砂比，其力學(xué)性能有所差別，故需要分別對待。3種主要充填體的灰砂比分別為1∶4、1∶6和1∶8。對于礦體而言，需要同時討論其頂板的暴露面積和側(cè)幫的暴露面積；而對于圍巖和充填體而言，則僅需討論其側(cè)幫的暴露面積。

2.1 Q值修正

采用Q系統(tǒng)分級方法對該礦區(qū)的4種礦巖分類或評分，結(jié)果為：綠泥石片巖Q=5.61；白云母片巖Q=3.02；石英鏡鐵礦Q=15.59；白云石大理巖Q=14.46。采用Mathews穩(wěn)定圖方法對上述Q值進行修正，得到修正后的Q值即Q′值，見表1。

表1 修正后的Q值

2.2 參數(shù)A、B、C 、N、S值的確定

A、B、C、N、S等參數(shù)計算結(jié)果見表2。

2.3 采場暴露面積估算

根據(jù)形狀因子的大小，按照采場寬20 m、高100 m，計算了各類礦巖及充填體的暴露面積，見表3。對于采場頂板，當計算出的長度超過寬度的4倍時，按長寬比為4∶1進行重新計算。

2.4 巖體RQD值變化時采場暴露面積估算

現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各處節(jié)理裂隙的發(fā)育程度不一致。根據(jù)RQD值通常的波動范圍，當RQD值的絕對數(shù)增加10%、減少10%和減少20%時(白云母片巖由于基數(shù)較小，僅減少5%和減少10%)，各種礦體和巖體的暴露面積計算結(jié)果見表4～表7。

表2 各參數(shù)計算結(jié)果

表3 基于Mathews穩(wěn)定圖法估算的采場暴露面積

表4 石英鏡鐵礦暴露面積

表5 白云石大理巖暴露面積

由表4可知，當RQD值的絕對數(shù)從增加10%(以統(tǒng)計的均值為基礎(chǔ))至減少20%時，石英鏡鐵礦頂板的暴露面積由1 862 m2減少至933 m2，側(cè)幫的暴露面積由10 050 m2減少至6 502 m2，暴露面積的變化幅度較大。需要指出的是，當RQD值增加10%時，礦體頂板的暴露面積達到了1 862 m2，考慮到采場爆破震動等因素的影響，這一數(shù)值往往難以達到。

表6 綠泥石片巖暴露面積

表7 白云母片巖暴露面積

3 類似礦山分析對比

國內(nèi)外部分采用嗣后充填法礦山采場的暴露面積及充填體情況見表8。

由表8可知，礦區(qū)鐵礦石的力學(xué)強度較高，節(jié)理裂隙略為發(fā)育，采場頂板暴露面積基本控制在1 500 m2以內(nèi)，很難達到1 600 m2，只有在節(jié)理裂隙不發(fā)育處才可以達到該數(shù)值，因此，合理的采場頂板暴露面積為1 200～1 600 m2。礦體側(cè)幫暴露面積一般不超過8 000 m2，通常都控制在6 000 m2以內(nèi)，該礦區(qū)鐵礦只有在節(jié)理裂隙不發(fā)育處，礦體側(cè)幫暴露面積才可能達到8 000 m2，一般為6 000～8 000 m2。由于充填體的灰砂比不一致，其力學(xué)強度不一，由此產(chǎn)生的充填體側(cè)幫暴露面積也相差較大，為1 500～9 600 m2，該礦區(qū)灰砂比為1∶4，1∶6和1∶8的充填體，其平均單軸抗壓強度分別達到8.07，3.34，2.45 MPa。如果繼續(xù)采用灰砂比為1∶4的充填體，預(yù)計其側(cè)幫暴露面積可能達到8 000 m2。

表8 國內(nèi)外部分礦山高大采場暴露面積及充填體情況

根據(jù)巖體中節(jié)理裂隙的發(fā)育程度，以及充填體的灰砂比，各種巖性的具體暴露面積推薦值見表9。

4 結(jié) 論

(1)采場頂板暴露面積為1200～表9 采場暴露面積推薦值 m2

巖性部位節(jié)理不發(fā)育節(jié)理中等發(fā)育節(jié)理較發(fā)育鐵礦體頂板160014001200側(cè)幫800070006000綠泥石片巖李樓上盤420035002600白云母片巖李樓上盤230019501750白云石大理巖李樓下盤9500800070001∶4充填體側(cè)幫80001∶6充填體側(cè)幫60001∶8充填體側(cè)幫5000

1 600m2，礦體側(cè)幫暴露面積為6 000～8 000m2，節(jié)理裂隙發(fā)育時取小值，反之取大值。

(2)灰砂比為1∶4～1∶8的充填體，其側(cè)幫暴露面積為5 000～8 000m2，其中，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8 的充填體，其側(cè)幫暴露面積分別為8 000，6 000，5 000m2。

(3)因巖性不一致，上、下盤圍巖的暴露面積相差較大，暴露面積為1 750～10 000m2。其中，下盤圍巖穩(wěn)固性較好，暴露面積為7 000～10 000m2；上盤圍巖的穩(wěn)固性較差，其暴露面積為1 750～4 200m2。

[1] 古德生，李夕兵.現(xiàn)代金屬礦床開采科學(xué)技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[2] 肖 軍.Mathews穩(wěn)定圖法在確定礦山采場暴露面積中的應(yīng)用[J].新疆有色金屬，2013，36(2)：19-20.

[3] 董國慶.Mathew法在某礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)中的應(yīng)用[J].新疆有色金屬，2011(S)：34-36.

[4] 尚精華，萬國春.Mathew法在礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計中的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2009(2)：5-7.

[5] 韓志型，王 寧.急傾斜厚礦體無間柱上向水平分層充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(2)：367-370.

Determination on the Exposure Area in Stope Based on Mathews Stability Graphic Method

Yin Tubing1,2Zhang Minglu1,2

(1. Western Mining Co., Ltd.; 2. Qinghai Key Laboratory of Process Engineering and Comprehensive Utilization of Plateau Mineral)

Determination of the stope exposed area can influence the rational arrangement of the stope structure parameter directly. It is necessary to discuss the exposed area of the stope roof and lateral wall of backfill when the back-filling mining afterwards open-pit method is used. The Mathews stability graphic method is used to calculate the stope exposed area and compared with the situations of the similar mines domestic and overseas. The reasonable exposed area is determined ultimately so as to provide reference for ensuring the mine safety production.

Mathews stability graphic method, Open-pit method, Exposed area

2014-12-31)

尹土兵(1982—)，男，講師，博士,810001 青海省西寧市。